zesilovače biologických signálů - cvut.cz
TRANSCRIPT
![Page 1: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/1.jpg)
Zesilovačebiologických signálůX31ZLE Základy lékařské elektronikyJan Havlík, Zdeněk Horčík | Katedra teorie obvodů | [email protected]
![Page 2: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/2.jpg)
Zesilovače biologických signálů• zesilovače pro
– EKG (elektrokardiografie, srdce)
• U = 0,5 až 5 mV, f = 0,01 až 250 Hz, elektrody kontaktní na kůži
– EEG (elektroencefalografie, mozek)
• U = 5 až 300 µV, f = 0,1 až 100 Hz, elektrody kontaktní na pokožku hlavy nebo zavrtávací
– EMG (elektromyografie, svaly)
• U = 0,1 až 10 mV, f = 0,01 Hz až 10 kHz, elektrody kontaktnínebo jehlové
– a další
![Page 3: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/3.jpg)
Požadavky• dostatečné zesílení
• potlačení souhlasného signálu
• vysoký vstupní odpor
• požadovaný frekvenční rozsah
• odolné proti indukovanému rušivému napětí
• odolné proti nedokonalému připojení svodů
• chráněné proti poškození velkými vstupními signály
![Page 4: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/4.jpg)
• základní zapojení invertujícího zesilovače
• není řešen vliv chyb zesilovače, vliv nedokonalého připojení ...
X1R11k
R210k
V3
Invertující zesilovač
![Page 5: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/5.jpg)
• základní zapojení neinvertujícího zesilovače
• není řešen vliv chyb zesilovače, vliv nedokonalého připojení ...
Neinvertující zesilovač
X1
R29k
R11k
V1
![Page 6: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/6.jpg)
• invertující zesilovač, zdroj signálu s vnitřním odporem
• tedy pokles absolutní hodnoty zesílení oproti• není řešen vliv chyb zesilovače, vliv nedokonalého
připojení ...
Invertující zesilovač
X1R11k
R210k
V1
R111k
![Page 7: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/7.jpg)
X1
R29k
R11k
V1
R101k
• neinvertující zesilovač, zdroj signálu s vnitřním odporem
• není řešen vliv chyb zesilovače ...
Neinvertující zesilovač
![Page 8: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/8.jpg)
Hlavní zdroje chyb
• nenulové vstupní proudy
• napěťový offset
X1R11k
R210k
Ivst
Uoff
Ivst
![Page 9: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/9.jpg)
Odstranění vlivu chyb OZ
• vstupní klidový proud
• kompenzace offsetu – dle výrobce OZ,např. odporovým trimrem
X1R11k
R210k
R3909.09
R4
10k
Kompenzaceofsetu
Ivst1
Uoff1
Ivst2
Kompenzacevstupního proudu
![Page 10: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/10.jpg)
Odstranění vlivu odporu zdroje
• Jak se dá kompenzovat vliv vnitřního odporu zdroje signálu?
X1R11k
R210k
R3909.09
R4
10k
R101k
???
Kompenzaceofsetu
Ivst2
Uoff2
Ivst3
Kompenzacevstupního proudu
![Page 11: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/11.jpg)
Měření rozdílových signálů
• Jak lze zařídit měření rozdílových signálů?
• toto zapojení nevyhovuje– Proč? Vždyť operační zesilovač má rozdílové vstupy.
– Jaké je zesílení U1 a U2?
X1R11k
R210k
R3909.09
V1 V2
![Page 12: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/12.jpg)
Rozdílový zesilovač
• dělič R3 R4 zmenšuje zesílení neinvertující větve
• při vhodné volbě R3 a R4 lze dosáhnout shodného zesílení invertující a neinvertující větve
X1R11k
R210k
R31k
V1 V2R410k
![Page 13: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/13.jpg)
Rozdílový zesilovač• zesílení z jednotlivých vstupů
• výstupní napětí
![Page 14: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/14.jpg)
Souhlasný a rozdílový signál• souhlasný signál
• rozdílový signál
• potom
![Page 15: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/15.jpg)
Zesílení souhlasné a rozdílové složky• zesílené rozdílové složky
• zesílení souhlasné složky
![Page 16: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/16.jpg)
Zesílení souhlasné a rozdílové složky• obvykle volíme
• často dokonce
• potom
• platí pouze pro dokonale přesné resistory
![Page 17: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/17.jpg)
Potlačení souhlasné složky• CMRR – činitel potlačení souhlasného signálu
(Common Mode Rejection Ratio)
• požadujeme co nejvyšší
• dle předchozích výpočtů ( ) teoreticky nekonečný, prakticky více než 80 dB
![Page 18: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/18.jpg)
Rozdílový zesilovač
• Jaký je vliv R10 a R11(reprezentují nedokonalé připojenísnímacích elektrod)?
• Liší se vliv v invertující a neinvertující větvi?
• Vadí víc stejné nebo nestejné hodnoty R10 a R11? Jak?
X1R11k
R210k
R31k
V1 V2R410k
R101k
R111k
![Page 19: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/19.jpg)
Rozdílový zesilovač
• řešením je oddělení vstupů sledovačem signálu nebo neinvertujícím zesilovačem
• Jaký je vliv R10 a R11, jaký je vstupní R?
X1
R11k
R210k
R31k
V1 V2R410k
R101k
R111k
X2
X3
![Page 20: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/20.jpg)
Rozdílový zesilovač
• zesilovače X2 a X3 nám mohou pomáhat signálzesilovat (dodatečné zesílení)
X1
R11k
R210k
R31k
V1 V2R410k
R101k
R111k
X2
X3
R6 10k
R8 10k
R5100
R7100
![Page 21: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/21.jpg)
Rozdílový zesilovač
• výstupní napětí při
X1
R11k
R210k
R31k
V1 V2R410k
R101k
R111k
X2
X3
R6 10k
R8 10k
R5100
R7100
![Page 22: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/22.jpg)
Přístrojový zesilovač
• elegantnější řešení, zesílení předzesilovacích stupňůlze ovládat jedním prvkem R5
• to usnadňuje přepínání rozsahů a plynulou regulaci zisku
X1
R11k
R210k
R31k
V1 V2R410k
R101k
R111k
X2
X3
R6 10k
R8 10kR5100
![Page 23: Zesilovače biologických signálů - cvut.cz](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012015/615a76ae707ecc504a2fd046/html5/thumbnails/23.jpg)
Přístrojový zesilovač
• výstupní napětí při
X1
R11k
R210k
R31k
V1 V2R410k
R101k
R111k
X2
X3
R6 10k
R8 10kR5100